Методы счисления пути в системах местоопределения подвижных объектов.

Петров Николай Николаевич, кандидат технических наук

МЕТОДЫ СЧИСЛЕНИЯ ПУТИ В СИСТЕМАХ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

Данная статья является продолжением серии статей о системах местоопределения подвижных объектов (AVL-системах) и посвящена так называемым методам навигационного счисления пути (инерциальной навигации). Автор не претендует на полноту обзора всех возможных систем подобного рода. В статье сделана попытка рассказать о некоторых наиболее распространенных методах применительно к системам местоопределения автомашин.

В соответствии с классификацией, приведенной в рекомендации МККР (отчет 904-1, Дубровник, 1986 г.), одним из методов определения местоположения подвижных объектов является метод навигационного счисления пути, называемый также методом инерциальной навигации. Этот метод предполагает оснащение транспортного средства датчиками направления (курса) и пройденного пути, по показаниям которых определяется местоположение объекта относительно фиксированных реперов, которыми могут быть определенные точки на местности, направления на объекты и т.п. В зависимости от назначения и структуры AVL-системы вычисление местоположения может производиться как непосредственно на самом транспортном средстве с помощью бортового навигационного компьютера, так и в управляющем компьютере подсистемы обработки данных. При построении диспетчерских систем информация от бортового устройства передается на диспетчерский пункт (или центр управления) через подсистему передачи данных, в качестве которых могут использоваться любые системы связи (сотовые, транкинговые, спутниковые и т.д.). Существуют различные методы определения направления движения и пройденного пути. Определение пройденного пути является более простой задачей по сравнению с вычислением курса. В большинстве систем местоопределения транспортных средств навигационный компьютер подключается к спидометру автомобиля. Современные электронные спидометры могут выдавать так называемые колесные импульсы через каждые 20 см пробега, что обеспечивает высокую точность измерения пройденного пути. В настоящее время прорабатываются и другие способы измерения расстояний, такие, как нанесение оптических лент на шинах и размещение магнитных лент на колесах автомобиля. Они могут использоваться в тех случаях, когда подключение к спидометру не совсем удобно с точки зрения компоновки и размещения аппаратуры. Более сложной задачей является определение курса. Простейшим и наиболее дешевым из методов определения направления движения транспортного средство является использование магнитного компаса. К основным недостаткам такого прибора относятся невысокая точность, необходимость введения поправки на магнитное склонение и, главное, необходимость учета магнитных полей самой автомашины и других факторов искажения магнитного поля Земли. Использование более точных геомагнитных приборов на основе магнитных датчиков (феррозондов) и мощных бортовых компьютеров, обеспечивающих учет поправки дирекционного угла, позволяет избавиться от части указанных недостатков. Однако главный недостаток подобных приборов, связанный с искажениями магнитного поля, не устраняется. Поэтому в ряде систем местоопределения автомашин магнитные датчики направления, представляющие, как правило, трехкомпонентные измерители магнитного поля Земли, дополняются другими приборами, позволяющими компенсировать искажения магнитного поля, возникающие из-за различных факторов. В качестве таких приборов наиболее часто используются датчики ускорения - акселерометры. Сочетание магнитных датчиков направления с акселерометром (при использовании бортового вычислительного устройства) иногда называют бесплатформенным магнитным компасом.

Принцип работы этого прибора состоит в следующем. Магнитные датчики измеряют полный вектор магнитного поля Земли. Однако для вычисления курса необходимо знать не полный вектор, о только его горизонтальную составляющую. Для этого с помощью трехкомпонентного акселерометра определяется направление вертикали в приборной системе координат, после чего вычисляются величина и направление горизонтальной составляющей магнитного поля Земли по отношению к транспортному средству, т.е. его курс. Устранения погрешностей, связанных с искажениями магнитного поля Земли, можно добиться путем предварительной калибровки прибора, для чего достаточно снять показания магнитных датчиков в четырех положениях, получающихся поворотом транспортного средства на 90° в горизонтальной плоскости. В дальнейшем при движении автомашины вычислительное устройство постоянно рассчитывает параметры паразитного магнитного поля и определяет поправки, которые используются при вычислении курса.

При внедрении акселерометров в системы инерциальной навигации для автомашин важной проблемой является их миниатюризация. В настоящее время известны акселерометры тензорезистивного, пьезорезистивного и пьезоэлектрического типа. Однако пока они имеют значительные габариты и массу, а также энергопотребление. Более перспективным направлением можно считать создание чувствительных элементов (ЧЭ) датчиков ускорения на основе емкостного принципа преобразования с использованием электростатической компенсации на материалах из кремния. ЧЭ, разработанные на основе этой технологии, получили название микромеханических. Конструкция ЧЭ емкостного типа представляет собой плоский дифференциальный конденсатор, имеющий две неподвижные пластины и внутренний подвижный электрод. Для таких чувствительных элементов характерны потенциально высокая термоустойчивость, стабильность метрологических характеристик во времени, отсутствие шумов и самонагрева. Принцип действия емкостного акселерометра основан на измерении разности емкостей между подвижным электродом и неподвижными пластинами. При отсутствии воздействия ускорения воздушные зазоры между подвижным электродом и неподвижными пластинами одинаковы, и соответственно сохраняется равенство значений емкостей. При воздействии ускорения в каком-либо направлении изменяются величины воздушных зазоров, в результате чего появляется разность емкостей и токов, протекающих через эти емкости. С помощью дифференциального усилителя эта разность усиливается и преобразуется в выходное напряжение, пропорциональное величине ускорения. Акселерометры на основе емкостных чувствительных элементов позволяют измерять ускорения до нескольких десятков м/с², имеют ток потребления в пределах единиц мА, могут быть выполнены в виде интегральных микросхем. Примером таких акселерометров являются интегральные микросхемы фирмы Analog Devices ADXL150, ADXL250, ADXL202, ADXL202, представляющие собой одно- и двухкомпонентные измерители ускорения. Кроме акселерометров, в качестве корректоров геомагнитных приборов могут использоваться датчики угловой скорости на основе гироскопов. Механические гироскопы в системах местоопределения автомашин практически не используются в связи с их значительными габаритами и потребляемой мощностью, В AVL-системах возможно применение лазерных волоконно-оптических гироскопов. Принцип действия которых основан но эффекте Саньяка. По круговому оптическому пути благодаря расщеплению луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если система находится в покое относительно инерционного пространство, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины, поэтому при сложении лучей в расщепителе нет фазового сдвига. Однако когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве, между световыми волнами возникает разность фаз, пропорциональная угловой скорости вращения. Имеется также информация о создании гироскопов на основе электрохимических преобразователей, гирочувствительных пьезорезонансных датчиков, емкостных преобразователей.

Как пример законченного и действующего устройства инерциальной навигации можно рассмотреть автономный навигационный прибор геомагнитного типа (АНПГТ), представляемый ЗАО Автонавигатор” (Москва). В основе работы АНПГТ лежит математическое моделирование текущих координат подвижного объекта по сигналам, поступающим с датчика пути, датчиков направления и датчиков ускорения. Датчик пройденного пути подключается к спидометру и измеряет пройденный путь в метрах.

Датчик направления (феррозонд) представляет собой три ортогонально расположенных датчика магнитного поля. На выходе феррозонда присутствует аналоговый сигнал, величина которого пропорциональна углу поворота относительно магнитного меридиана Земли. Датчик ускорения (акселерометр) представляет собой три ортогонально расположенных емкостных датчика ускорения. На выходе присутствует сигнал, пропорциональный измеряемому ускорению. Датчик служит для устранения ошибки феррозонда, возникающей из-за негоризонтального расположения объекта относительно поверхности Земли.

Аналоговые сигналы с датчиков преобразуются в цифровые и поступают в процессор вычисления координат (ПВК), выполненный на основе микроконтроллера INTEL 296-й серии. ПВК производит вычисление автономных координат объекта. Для устранения накапливающейся ошибки автономных координат в АНПГТ реализован метод пассивной коррекции по цифровой векторной карте полилиний дорожной сети. Цифровая картографическая информация хранится в перепрограммируемом запоминающем устройстве. Точные координаты могут быть переданы по интерфейсу RS-232 в бортовой навигационный компьютер или на устройство отображения местоположения автомашины. Точные координаты обновляются раз в секунду.

В рекламных материалах на АНПГТ указывается, что ошибка в определении автономных координат составляет 1,2% от пройденного пути, а погрешность определения координат при внутренней коррекции с помощью цифровой картографической информации не превышает 5 м. Несмотря на существенно более редкое использование методов счисления пути в системах местоопределения автомашин по сравнению с другими способами определения местоположения, данные методы обладают рядом преимуществ.

Например, по сравнению с приемниками спутниковых радионавигационных систем (СРНС) приборы инерциальной навигации не подвержены воздействию радиопомех. Они начинают работать сразу после включения (не требуются 1 - 2 мин. для загрузки информации со спутника, как в СРНС), зона их действия практически не ограничена (не требуется прямая видимость нескольких спутников), в них производятся курсоуказание, определение расстояния до ориентиров, измерение дирекционного угла. Очевидно, что в ближайшее время для систем местоопределения автомашин приборы инерциальной навигации найдут наибольшее применение не в качестве автономных устройств, а как дополнение к устройствам спутниковой радионавигации. Интеграция приемников СРНС и датчиков направления и пройденного пути позволит увеличить точность местоопределения, устранить “мертвые зоны”, устранить потерю начальных участков маршрута автомашин.